高温堆石墨堆体典型构件试验

研究了模块式球床高温堆石墨堆体中用来保持石墨块砌块之间相对位置的键和套销的剪切强度。在机械载荷、辐射和地震载荷作用下,键、销将受到剪切作用。石墨是脆性材料,其强度特性表现出很大的分散性,随尺寸和应力状态不同而不同,因此有必要研究各种因素对键和销剪切强度的影响。试验研究了尺寸、形状、受力方向、配合间隙、试件长度、加载速度、取材方向、材料种类、试件数量等9种可能的影响因素的影响。结果表明,不同材料的实心键剪切强度差别明显,但空心套销则差别不明显;大尺寸套销的剪切强度较小;配合间隙较小的键有较大的剪切强度;加载速度在0.02～2mm/min范围内,试件长度在100～160mm范围内,试件的剪切强度不随加载速度或试件长度的变化有明显差别等。研究结果对设计工作和堆安全性有一定实际意义。     

高温气冷堆石墨构件断裂性能数值研究

为探究球床模块式高温气冷堆（HTR-PM）石墨堆内构件抗断裂破坏特性,提供石墨堆内构件设计和完整性评估的依据,利用经实验验证的基于内聚力模型的扩展有限元方法（XFEM）对球床模块式高温气冷堆侧反射层石墨砖的燕尾键 键槽结构进行了断裂性能的模拟分析,并对石墨断裂参数及几何尺寸等参数进行了敏感性分析。模拟结果显示：该石墨砖燕尾键 键槽结构的最大失效载荷P_max为50.7 kN,且随圆角半径而增大;P_max对石墨材料抗拉强度敏感,圆角越大越敏感,对材料断裂功、杨氏模量敏感度较小,但随着结构圆角变小变得相对更敏感,对泊松比几乎不敏感。分析结果与文献预测及实验结论具有较好的一致性。本文研究能对其他类型反应堆（如熔盐堆和快堆）的石墨构件断裂性能分析评价提供参考。     

高温气冷堆石墨堆芯结构双层模型抗震研究

石墨堆芯结构包围球床堆芯,是高温气冷堆的重要组成部分。为满足其长期安全可靠运行的要求,使其设计合理、完整性得到保证,对石墨堆芯结构的动力学响应和结构完整性进行了研究,揭示其在运行中承受各种载荷条件(特别是地震)下的动态响应。完成的石墨堆芯结构双层模型抗震台试验中,测量模型在各种地震作用下的动力特性变化;考核石墨结构的刚度(变形)、强度和位移;分析榫、键等石墨构件的受力变形状况,整体结构的扭转。统计石墨构件经抗震试验后的破损数量,并分析了其破坏原因;通过初步的试验和模拟对比分析,探讨了石墨结构动力学响应的主要影响因素。为今后完成更大比例更复杂石墨堆芯结构模型抗震研究奠定了基础。     

高温气冷堆用石墨材料氧化行为研究进展

核级石墨是高温气冷堆重要的慢化剂、反射层和结构材料,其氧化腐蚀性能对反应堆安全运行至关重要,因此已成为核材料学科的研究热点之一。本文综述了国内外在核级石墨氧化腐蚀领域的研究现状,总结了核石墨氧化的化学动力学模型、失重率影响因子模型以及模拟计算模型,提出了高温气冷堆用石墨材料氧化腐蚀的研究方向。     

高温气冷堆石墨构件的碰撞力学行为研究

高温气冷堆的反射层和隔热层主要由数量庞大的石墨砖和碳砖组成,在地震或冲击载荷作用下,部件之间可能发生滑移和碰撞,影响其结构完整性。简化的数值分析模型是研究这种大规模散体结构的重要手段,而其中模拟碰撞的非线性连接单元参数对分析的收敛性和结果的准确性至关重要。本文对高温气冷堆中石墨构件的3种典型碰撞形式进行了实验研究,测量得到了各碰撞模式下碰撞时间和恢复系数与碰撞速度的关系。针对碰撞实验中边界条件与堆内实际构件的差别,采用商业有限元分析软件ABAQUS对不同碰撞形式进行了数值分析,进一步获得了更为准确的碰撞特性,并通过改进的Hertz碰撞模型对实验和数值结果进行分析,得出了非线性碰撞连接单元的等效刚度系数和等效阻尼系数。最后利用数值分析方法进行了与堆内构件设计相关的质量和间隙尺寸对碰撞单元等效刚度系数和等效阻尼系数的详细研究,为高温气冷堆石墨和碳堆内构件的设计提供参考。     

高温气冷堆石墨构件的碰撞力学行为研究

高温气冷堆的反射层和隔热层主要由数量庞大的石墨砖和碳砖组成,在地震或冲击载荷作用下,部件之间可能发生滑移和碰撞,影响其结构完整性。简化的数值分析模型是研究这种大规模散体结构的重要手段,而其中模拟碰撞的非线性连接单元参数对分析的收敛性和结果的准确性至关重要。本文对高温气冷堆中石墨构件的3种典型碰撞形式进行了实验研究,测量得到了各碰撞模式下碰撞时间和恢复系数与碰撞速度的关系。针对碰撞实验中边界条件与堆内实际构件的差别,采用商业有限元分析软件ABAQUS对不同碰撞形式进行了数值分析,进一步获得了更为准确的碰撞特性,并通过改进的Hertz碰撞模型对实验和数值结果进行分析,得出了非线性碰撞连接单元的等效刚度系数和等效阻尼系数。最后利用数值分析方法进行了与堆内构件设计相关的质量和间隙尺寸对碰撞单元等效刚度系数和等效阻尼系数的详细研究,为高温气冷堆石墨和碳堆内构件的设计提供参考。     

高温气冷堆包覆燃料颗粒SiC包覆层的强度和许用应力

ＳｉＣ是高温气冷堆包覆燃料颗粒复合包覆层的关键组元，其物理机械性能对高温气堆的安全特性有重要影响。ＳｉＣ层的强度具有统计分布的性质，受材料性质，试件尺寸开关和受力状态的影响。ＳｉＣ构件的设计许用应力决定于ＳｉＣ强度分布特性和允许破损率。     

高温气冷堆用石墨材料的腐蚀实验与软件模拟

在高温气冷堆进水进空气事故下,空气和水蒸气会与堆内的石墨材料发生化学腐蚀反应,从而可能影响反应堆的安全。为研究高温气冷堆内石墨材料的氧化腐蚀特性,本文利用气相色谱法实验测量了IG-110石墨在不同温度和不同气体组分配比情况下的腐蚀速率及腐蚀产物,并利用THERMIX/REACT软件对整个石墨腐蚀过程进行了模拟。研究结果表明：反应温度对石墨腐蚀的影响最为显著,腐蚀速率随着温度的升高而增大,同时随着温度升高,CO与CO₂的含量比也逐渐增大。通过与实验结果对比分析,验证了THERMIX/REACT软件用于高温气冷堆安全分析的可靠性。     

载荷对HTR-PM高温气冷堆用石墨球摩损性能的影响

采用摩擦磨损试验机研究了载荷对HTR-PM高温气冷堆用石墨球在氦气气氛下的摩损性能影响,并利用光学显微镜分析了磨损表面形貌,利用激光粒度仪和扫描电镜分析了石墨粉尘的粒度和形貌。结果表明:在氦气气氛下,摩擦系数随着载荷的增加呈现减小的趋势;产生的石墨粉尘主要呈片状或絮状体,有较强的粘附性,粒度随着载荷的增加而增加;不同载荷下,随着时间的增加,石墨球的磨损率不断减小,最终趋于一个稳定值。     

高温气冷堆石墨材料的疲劳裂纹扩展综述

迄今为止,各国的高温气冷堆均采用石墨作为其堆芯活性区及反射层的主要结构材料。由于堆内的高温高辐照环境,石墨构件一般承受较高的热应力及辐照应力,这些应力的循环变化将引起疲劳载荷。     

高温气冷堆核级石墨相关问题研究

本文通过对石墨在高温气冷堆中的运行环境进行了分析,研究了在石墨堆内构件设计中的关键问题和在高温气冷堆单个模块及其未来发展中核级石墨的需求。从原料、成型及中子辐照等角度分析了核级石墨国产化研究方向。根据核级石墨目前的研发形势,进行了风险问题分析。     

研究性重水堆石墨反射层的辐照性能分析

一、前言 本堆改建工程中,正确评价石墨反射层辐照尺寸的变化,是能否实现整体吊装内壳的关键问题之一。正是从这点出发,分析了与更换内壳有密切关系的石墨反射层辐照尺寸的变化、潜能的积累和释放、抗氧化性能和强度等问题,为整体吊装反应堆内壳提供依据。     

底反射层氧化对模块式高温气冷堆进气事故的影响分析

进气事故是模块式高温气冷堆(HTR-PM)事故分析中重点考虑的一种事故类型。核级石墨在高温气冷堆中被广泛用作反射层材料、结构材料和慢化材料等。在进气事故中,燃料元件基体石墨发生氧化反应增加了燃料颗粒裸露和放射性释放的风险,底反射层发生氧化反应降低了石墨材料的机械性能,可能破坏堆芯底部结构的完整性。本文利用高温气冷堆专用系统分析程序TINTE,分别选取两种不同氧化速率的石墨材料作为底反射层材料,以热气导管双端断裂的进气事故为例,分析不同材料对进气事故的影响。在保证底反射层完整性的前提下,底反射层采用高氧化速率的材料时,能明显降低燃料颗粒裸露和放射性释放的风险。     

输送速度对高温气冷堆燃料装卸系统提升段石墨球磨损性能的影响

搭建了高温气冷堆燃料装卸系统提升段石墨球磨损性能研究的实验平台,研究了10 MW高温气冷堆(HTR-10)堆用石墨球在氮气气体输送条件下与不锈钢提升管的摩擦磨损性能,重点考察了石墨球输送速度对其磨损率的影响。结果表明:石墨球在不锈钢提升管中的磨损与石墨球的输送速度存在明显的线性关系,速度越高磨损率越大;石墨球的磨损属磨粒磨损,磨损以硬质不锈钢表面粗糙峰对石墨材料的切削作用为主,磨损率较大。     

高温气冷堆侧反射层纵向窄缝中的旁流研究

高温气冷堆的堆内构件由大量石墨块与碳砖构成,石墨块之间的窄缝会造成堆芯旁流,影响堆芯的流量与温度分布,需细致研究。石墨侧反射层有垂直方向的窄缝,是主要的旁流通道之一,氦气可能从冷氦联箱通过这些窄缝直接流入热氦联箱,也会与球床中的氦气发生横向交混。通过对球床流动及垂直窄缝中的旁流建立流体网络模型,分析了横向交混对窄缝旁流的影响,并讨论在不同窄缝大小及窄缝分布情况下旁流的变化规律。研究结果表明,球床边缘的氦气横向交混对旁流量影响较为明显,需在旁流分析中考虑,尺寸较大的窄缝对整个旁流的影响较为明显,窄缝尺寸较大时,堆芯的旁流量也更大。     

高温气冷堆结构中的力学问题

本文着重介绍了高温气冷堆结构中的力学问题。由于高温气冷堆采用石墨作为主要结构材料,因而在高温、高辐照以及氧化气氛中石墨力学特性的研究是本文介绍的重点:诸如石墨在上述工作环境下的物理性质及力学性质,石墨的疲劳特性、石墨的应力分类及破坏准则等。对高温气冷堆压力容器(PCPV)应力分析中混凝土的徐变及开裂问题的研究,本文也做了介绍。     

HTR-PM高温气冷示范堆堆芯石墨粉尘产生量估算

在球床式高温气冷堆堆芯内,影响石墨球摩擦磨损率的关键条件为载荷与温度。此前,中国辐射防护研究院研究了载荷对石墨球摩擦磨损性能的影响,得到了石墨球磨损率与载荷的关系。本文在此基础上进一步研究了温度对石墨球磨损率的影响,通过拟合得到了石墨球磨损率与石墨球所受载荷、温度之间的关系式,结合HTR-PM高温气冷示范堆内燃料元件所受载荷和温度的分布情况,计算得出石墨球之间摩擦产生的石墨粉尘量约为14.01 g/d(5.1 kg/a)。     

基于巴西圆盘试验的国产石墨拉伸强度及特性研究

拉伸强度是石墨构件设计和结构完整性评价的一个重要参数，为研究国产石墨的拉伸强度及试样尺寸、石墨颗粒粒径、微观组织等对拉伸强度的影响，本文选用3种典型国产石墨，即粗颗粒、细颗粒和超细颗粒石墨，对每种石墨的4种不同尺寸规格的试样在拉伸试样机上开展巴西圆盘试验，采用高速相机捕捉劈裂破坏过程，使用扫描电镜观测断口形貌。对比分析了裂纹的扩展过程及破坏形式，测得了拉伸强度并分析了其分布特点，研究了试样尺寸、石墨颗粒粒径、微观组织等对拉伸强度的影响。结果表明：石墨劈裂试验过程满足巴西圆盘试验有效性的要求，试样尺寸越大，石墨颗粒粒径越大，越易产生二次裂纹和局部压缩破坏；通常石墨拉伸强度随试样尺寸的增大而增大，但试样尺寸较小时要综合考虑试样尺寸和颗粒粒径的影响，且材料密度越小尺寸效应越明显；石墨拉伸强度随颗粒粒径的增大呈下降趋势，表现出显著的颗粒粒径效应；石墨拉伸强度具有较大的分散性，其与石墨颗粒粒径表现出明显的相关性，细颗粒石墨拉伸强度的均匀性较粗颗粒石墨好得多，同时超细颗粒石墨明显优于细颗粒石墨；石墨的微观组织对拉伸强度有显著影响，粗颗粒石墨有较多较大的原生孔隙等缺陷，其拉伸强度最小，细颗粒石墨次之...     

空间堆阴影屏蔽结构与材料选型

空间堆对辐射屏蔽尺寸和重量要求苛刻，为寻找合适的屏蔽方案，需要对屏蔽材料、结构进行选型研究。本文首先介绍了国内外对空间堆屏蔽目标及限值的研究进展，基于反应堆屏蔽设计原理，针对不同应用场景抽象出平板模型和球模型，在不同设计目标下对不同材料的屏蔽性能进行分析，基于分析结果采用自动化优化工具对屏蔽方案进行选型，分析了各个方案的优缺点。结果表明，放射源的能谱、源的尺寸大小、屏蔽体离源的距离、不同的屏蔽设计目标都会影响屏蔽材料和结构的选择，需要根据应用需求进行筛选；碳化硼、氢化锂和钨是较好的空间堆屏蔽材料；利用自动化优化工具对屏蔽体进行分层布置可实现有效减重。     

基于ASME规范的核石墨改进概率评价方法研究

核石墨作为慢化剂、反射层以及结构材料广泛应用于熔盐堆与气冷堆中,石墨构件的完整性对反应堆安全运行至关重要。脆性核石墨材料强度分散,相比于确定论方法概率论方法更适合对核石墨构件失效评定。本文基于ASME计算失效概率模型,改进了失效概率计算的分组标准,并运用有限元软件ABAQUS建立了NBG-18核石墨巴西圆盘劈裂模型加以验证。结果表明:与过于保守的ASME模型相比,改进的模型结果更接近于试验数据,同时比KTA3232规范更保守。改进后的模型对试件尺寸比较敏感,对网格敏感度不高。